黃瑞生 楊海鋒 王君宇 荊 文

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

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鋁合金雙光束/單光束激光-TIG復(fù)合焊

黃瑞生 楊海鋒 王君宇 荊 文

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

針對(duì)4 mm厚5A06鋁合金，分析了雙光束光纖激光-TIG復(fù)合焊的焊縫成形特點(diǎn)、氣孔率、匙孔動(dòng)態(tài)特征及接頭力學(xué)性能，并與單光束光纖激光-TIG復(fù)合焊對(duì)比。結(jié)果表明，在獲得相同焊縫背面熔寬條件下，與單光束激光-TIG復(fù)合焊相比，雙光束激光-TIG復(fù)合焊的焊縫背面成型連續(xù)性、均勻性更優(yōu)且熔寬波動(dòng)較小，焊縫氣孔率降低50%以上，激光匙孔開(kāi)口面積平均值更大，波動(dòng)變異系數(shù)更??；雙光束激光-TIG復(fù)合焊接頭抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、顯微硬度、組織與單光束激光-TIG復(fù)合焊結(jié)果差別不大。

鋁合金 雙光束激光 TIG電弧 復(fù)合焊

0 序 言

鋁合金具備低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕及易于加工等優(yōu)點(diǎn)，已成為航天、航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要材料[1]。同時(shí)，焊接技術(shù)已成為鋁合金結(jié)構(gòu)件制造的關(guān)鍵加工技術(shù)。

鎢極氬弧(TIG)焊接過(guò)程穩(wěn)定，容易獲得高質(zhì)量焊縫，成為鋁合金焊接制造的主要方法之一。但TIG焊的焊接熱輸入較大、焊接速度及焊絲熔覆速度較低，容易導(dǎo)致鋁合金焊接制造產(chǎn)生焊接變形較大、焊接接頭性能弱化較嚴(yán)重、焊接效率較低等問(wèn)題。激光焊容易實(shí)現(xiàn)高精度、高速、低變形、大深寬比焊接等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金焊接制造中應(yīng)用日益廣泛[2]。但由于鋁合金熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)低、熱導(dǎo)率高、熔融金屬表面張力低等特點(diǎn)，激光焊接鋁合金存在焊縫成型較差、易產(chǎn)生咬邊及焊接氣孔等問(wèn)題[3-4]。

W.M.Steen等人[5]于上世紀(jì)70年代末首先提出激光-TIG復(fù)合焊方法, 將兩種具有不同物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制的熱源復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)了1+1>2的焊接效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光-TIG復(fù)合焊技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作，結(jié)果表明，激光-TIG復(fù)合焊方法是實(shí)現(xiàn)高性能金屬材料優(yōu)質(zhì)、高效、低變形焊接的先進(jìn)焊接方法，可以有效解決上述鋁合金單一TIG焊、激光焊存在的焊接問(wèn)題[6]。

目前，鋁合金激光-TIG復(fù)合焊技術(shù)研究主要集中在單光束激光-TIG復(fù)合焊工藝、焊接過(guò)程特征、焊接機(jī)理等方面[7-11]，而鋁合金雙光束光纖激光-TIG復(fù)合焊技術(shù)方面的研究鮮有報(bào)道。

因此，文中針對(duì)5A06鋁合金，采用雙光束光纖激光-TIG復(fù)合焊方法，與單光束光纖激光-TIG復(fù)合焊對(duì)比，在獲得相同背面熔寬條件下，從焊縫成形、氣孔率、匙孔特征等角度，對(duì)比分析鋁合金雙光束激光-TIG復(fù)合焊的焊接特性及焊接接頭性能，為鋁合金雙光束激光-TIG復(fù)合焊技術(shù)的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用4 mm厚5A06鋁合金，試板尺寸300 mm×100 mm；焊絲為直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲；焊接保護(hù)氣為工業(yè)Ar氣。采用I形對(duì)接接頭，焊接方式為平焊，試驗(yàn)前采用刮刀去除鋁合金母材表面的氧化膜。對(duì)焊后焊縫進(jìn)行X射線探傷，選取任意100 mm長(zhǎng)焊縫探傷照片進(jìn)行氣孔面積統(tǒng)計(jì)并計(jì)算氣孔率。

試驗(yàn)系統(tǒng)由Trumpf公司Trudisk-6000型蝶形激光器、Fronius公司MW4000型交直流TIG焊機(jī)及自制的焊接試驗(yàn)工作臺(tái)與卡具組成。試驗(yàn)過(guò)程利用日本FastCam Ultima 512型高速攝像系統(tǒng)對(duì)匙孔進(jìn)行圖像采集，采樣頻率4 000 幀/秒。

試驗(yàn)所用光纖芯徑0.4 mm，激光焊接頭準(zhǔn)直距離200 mm,聚焦距離300 mm。激光焊接頭通過(guò)楔形棱鏡將一束激光分成兩束得到雙光束激光，能量分配為1∶1，焦點(diǎn)處光斑中心間距0.6 mm，雙光束激光沿焊接方向按前后串行模式排布。

雙光束/單光束激光-TIG復(fù)合填絲焊過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 激光-TIG復(fù)合填絲焊示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫成型

保持其他焊接參數(shù)不變，即激光離焦量+4 mm、焊接速度1.5 m/min、焊接電流120 A、光鎢間距6 mm，改變激光功率，進(jìn)行單/雙光束激光-TIG復(fù)合焊試驗(yàn)。圖2為在獲得焊縫相同背面熔寬條件下，單/雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫背面熔寬與激光功率的關(guān)系，激光功率對(duì)焊縫背面成型的影響見(jiàn)表1。

如圖2所示，隨著激光功率的增大，復(fù)合焊焊縫背面熔寬均增大；在相同焊縫背面熔寬的條件下，雙光束激光-TIG復(fù)合焊所需的激光功率基本比單光束激光-TIG復(fù)合焊大500 W。由表1可知，在相同焊縫背面熔寬的條件下，激光功率較小時(shí)，單光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫背面成型連續(xù)性較差,熔寬波動(dòng)較明顯且容易出現(xiàn)背面鼓包現(xiàn)象，雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫背面成型連續(xù)性較好，熔寬波動(dòng)小且沒(méi)有出現(xiàn)背面鼓包現(xiàn)象。激光功率較大時(shí)，單光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫雖然背面成型連續(xù)，熔寬波動(dòng)較小，但背面仍容易出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；而雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫背面成型連續(xù)性、均勻性更優(yōu)，基本不出現(xiàn)背面熔寬波動(dòng)、鼓包等現(xiàn)象。

圖2 相同背面熔寬條件下所需激光功率對(duì)比

2.2 焊縫氣孔

圖3為不同背面熔寬情況下單/雙光束-TIG復(fù)合焊焊縫氣孔率對(duì)比圖。可見(jiàn)隨著焊縫背面熔透寬度的增大，復(fù)合焊焊縫氣孔率均減?。辉诨鞠嗤缚p背面熔寬的條件下，雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫氣孔率小于單光束激光-TIG復(fù)合焊所得的結(jié)果，焊縫氣孔率降低50%以上。

表1 復(fù)合焊激光功率對(duì)焊縫成形影響

2.3 激光匙孔波動(dòng)特征

在焊縫背面熔透寬度約為4 mm的焊接條件下，采用高速攝像系統(tǒng)拍攝單/雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊接過(guò)程激光匙孔，匙孔形態(tài)如圖4所示。

圖3 相同焊縫背面熔寬條件下焊縫氣孔率對(duì)比

圖4 焊縫正面典型激光匙孔形態(tài)對(duì)比

采用MATLAB軟件對(duì)穩(wěn)定焊接過(guò)程拍攝的任意連續(xù)200幀激光匙孔照片進(jìn)行灰度化、濾波、邊緣檢測(cè)及面積提取等處理，分別得到焊縫背面熔透寬度約為4 mm條件下單/雙光束激光-TIG復(fù)合焊正面激光匙孔開(kāi)口面積的瞬值如圖5所示，全過(guò)程平均值及波動(dòng)變異系數(shù)如圖6所示，其中，單/雙光束-TIG焊的功率分別為3.5 kW和4.0 kW。

如圖5和圖6所示，在相同的背面熔寬條件下，兩種復(fù)合焊過(guò)程激光匙孔開(kāi)口面積的瞬值變化很不規(guī)律；但是就一個(gè)采集序列整體來(lái)看，與單光束激光-TIG復(fù)合焊相比，雙光束激光-TIG復(fù)合焊的激光匙孔開(kāi)口面積平均值更大，波動(dòng)變異系數(shù)更小。因此，雙光束激光-TIG復(fù)合焊激光匙孔開(kāi)口面積波動(dòng)性較小，閉合頻率減小，焊接過(guò)程更穩(wěn)定。

圖5 激光匙孔開(kāi)口面積瞬值對(duì)比

圖6 激光匙孔開(kāi)口面積均值及波動(dòng)變異系數(shù)對(duì)比

2.4 接頭力學(xué)性能及組織分析

對(duì)焊縫背面熔透寬度為6.5 mm的單/雙光束激光-TIG復(fù)合焊接頭進(jìn)行拉伸、硬度、組織測(cè)試，結(jié)果分別如圖7～9所示。

如圖7所示，雙光束激光-TIG復(fù)合焊接頭抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率平均值可達(dá)母材的92%和54%，單光束激光-TIG復(fù)合焊接頭抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率平均值達(dá)母材的91%和50%。兩種復(fù)合焊接頭拉伸性能差別不大。

如圖8所示，兩種復(fù)合焊接頭在焊縫中心硬度值最低，焊縫區(qū)硬度隨著距焊縫中心距離的增大而增大；熱影響區(qū)硬度隨著距焊縫中心距離的增大先減小后增大。與單光束激光-TIG復(fù)合焊相比，雙光束激光-TIG復(fù)合焊接頭焊縫區(qū)硬度值相差不大，但熱影響區(qū)硬度值較小。

圖7 接頭拉伸性能對(duì)比

圖8 接頭硬度對(duì)比

圖9 接頭組織對(duì)比

圖9a為雙光束激光-TIG復(fù)合焊頭焊縫中心區(qū)域組織，主要為α-Al固溶體+少量共晶+點(diǎn)狀析出物；圖9b為雙光束激光-TIG復(fù)合焊頭熱影響區(qū)組織，主要為α-Al固溶體+塊狀析出物；圖9c和9d分別為單光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫中心及熱影響區(qū)的組織，與雙光束-TIG焊接接頭各區(qū)域組織差別不大。

3 結(jié) 論

(1)在獲得相同焊縫背面熔寬條件下，與單光束激光-TIG復(fù)合焊相比，4 mm厚5A06鋁合金雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫背面成型連續(xù)性、均勻性更優(yōu)且熔寬波動(dòng)較??；雙光束激光-TIG復(fù)合焊焊縫氣孔率降低50%以上；雙光束激光-TIG復(fù)合焊激光匙孔開(kāi)口面積平均值更大,波動(dòng)變異系數(shù)更小。

(2)4 mm厚5A06鋁合金雙光束激光-TIG復(fù)合焊接頭抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、顯微硬度、組織與單光束激光-TIG復(fù)合焊結(jié)果差別較小。復(fù)合焊接接頭抗拉強(qiáng)度均達(dá)母材的90%以上，接頭焊縫中心組織均為α-Al固溶體+少量共晶+點(diǎn)狀析出物，接頭熱影響區(qū)組織均為α-Al固溶體+塊狀析出物。

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2016-11-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB1102100)

TG456.7

黃瑞生，1981年出生，博士，工程師。主要研究方向?yàn)楦吖β使腆w激光、激光-復(fù)合焊技術(shù)研究及成套裝備集成，已發(fā)表論文16篇。